阻燃防護(hù)服熱防護(hù)性能測試方法存在的問題

張婷婷，任志博，徐蘭軍，董炳艷，張 煥

(1.新興際華集團(tuán)有限公司，北京 100020； 2.中國紡織信息中心，北京 100025)

在火災(zāi)事故中，服裝燃燒給人體帶來的傷害遠(yuǎn)大于環(huán)境中明火給人體造成的傷害，因此在火災(zāi)救援及容易引起火災(zāi)的危險作業(yè)環(huán)境中穿著阻燃防護(hù)服對人身安全至關(guān)重要[1]。熱防護(hù)性能是阻燃防護(hù)領(lǐng)域引入國際標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)之一，它能客觀地反應(yīng)阻燃防護(hù)服對火災(zāi)中強(qiáng)烈的對流熱和輻射熱的防護(hù)性能[2]。

目前國內(nèi)防護(hù)服熱防護(hù)性能測試標(biāo)準(zhǔn)GB 8965.1—2009《防護(hù)服裝 阻燃防護(hù) 第1 部分:阻燃服》、GA 12014 《消防員滅火防護(hù)服》均未涉及服裝的蓄熱性能[3]。國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)ASTM F 2700—2008 《阻燃服材料在持續(xù)加熱狀態(tài)下動態(tài)的傳熱性評估的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》、ISO 17492—2003《防火隔熱服-暴露于火焰和輻射熱時的熱傳遞測定》、NFPA 2112—2007《消防員滅火防護(hù)服》和ASTM F 2703—2008 《阻燃服材料在預(yù)計燒傷率狀態(tài)下動態(tài)的傳熱性評估的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》[4]中, 除ASTM F 2703—2008外其余標(biāo)準(zhǔn)都是在測試熱防護(hù)材料過程中，通過測得該材料在累計時間上的傳感器響應(yīng)曲線與Stoll曲線(人體二度燒傷曲線)的交點來確定累積能量，測試結(jié)果稱為熱防護(hù)性能值，簡稱TPP。而ASTM F 2703—2008是在測試熱防護(hù)材料過程中，通過測得的該材料在一定時間上的傳熱反應(yīng)曲線與Stoll曲線的相切(或近似相切)來確定的總累積能量測試結(jié)果，稱為熱防護(hù)性能評估值，簡稱TPE。國內(nèi)服裝研究和實驗室檢測基本都集中在面料或服裝在高強(qiáng)度熱流下，即TPP測試，有較高TPP值的服裝被認(rèn)為具有較好的熱防護(hù)性能，而忽略了熱蓄積時的性能研究和測試，導(dǎo)致TPP的數(shù)值無法表征防護(hù)服真實的防護(hù)水平，也不能與燃燒假人的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相關(guān)性[5]。數(shù)十年的建筑火災(zāi)報告數(shù)據(jù)顯示，消防員遭受的大多數(shù)皮膚燒傷都發(fā)生在低強(qiáng)度熱環(huán)境中，其中常見的熱危險強(qiáng)度是 5～ 20 kW/m2的低熱輻射，這類熱暴露通常持續(xù)數(shù)分鐘，不會造成服裝形變，但同樣會導(dǎo)致皮膚二度燒傷[6]。在實際火災(zāi)現(xiàn)場的應(yīng)用中，現(xiàn)場環(huán)境非常惡劣，穿著者可能未及時脫掉經(jīng)熱暴露后的防護(hù)服，此時，服裝中蓄積的熱能會繼續(xù)傳遞給穿著者，很可能造成快速燒傷中[7]。因此，低輻射傳熱條件在阻燃防護(hù)服性能研究十分重要。在選購服裝面料時，面料的TPE值也應(yīng)該作為重要的參考指標(biāo)之一。

1 試驗部分

本文選用一種阻燃防護(hù)服常用面料，測試樣品囊括了單層、多層等不同組合。按照GB 8965.1—2009附錄A和ASTM F 2703—2008分別對其TPP值和TPE值進(jìn)行測試并對結(jié)果進(jìn)行分析比較。測試儀器采用701-D-163-1型整體熱防護(hù)性能測試儀(美國精密儀器公司)。

1.1 TPP試驗

試樣選用杜邦(中國)研發(fā)管理有限公司生產(chǎn)的Nomex?IIIA藏青色斜紋面料，線密度為26.3 tex×2。試樣分為3組，每組10個樣品，第1組試樣為單層面料，第2組為雙層面料，第3組為4層面料。織物規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 織物規(guī)格參數(shù)

為了減少溫濕度對試驗結(jié)果的影響，測試前將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下調(diào)濕24 h，從調(diào)濕區(qū)域移出后在30 min內(nèi)完成測試。測試熱源的對流熱和輻射熱各占50%。測試前對熱源總熱量進(jìn)行校準(zhǔn)，使總熱通量達(dá)到(84±2) kW/m2，記錄總熱通量數(shù)據(jù)，并對試樣進(jìn)行測試。試驗均采用直接接觸法，即模擬面料與人體皮膚直接接觸時阻燃防護(hù)服的熱防護(hù)性能。當(dāng)傳感器響應(yīng)曲線與Stoll曲線相交時，記錄下暴露時間。熱防護(hù)性能值(TPP)就是暴露時間與校準(zhǔn)總熱通量的乘積[2]。即

TPP=t交點×F

(1)

式中：TPP為熱防護(hù)性能值，kW·s/m2；t交點為測試的累積能量與Stoll曲線相交的時間，s；F為校準(zhǔn)總熱通量，kW/m2。

TPP測試結(jié)果如表2所示。試驗后的試樣狀態(tài)如圖1所示。

表2 TPP測試結(jié)果

圖1 TPP試驗后試樣

從表2可以看出，面料層數(shù)越多，TPP值越高，防護(hù)服的熱防護(hù)性能越好。首先，多層織物形成了間隔層，從而保留了靜止空氣，而空氣的熱傳導(dǎo)率是纖維材料的1/10，因此，降低了熱量的傳播速度，從而提供了更好的隔熱效果；其次，多層面料作為整體進(jìn)行測試，使得熱量在織物內(nèi)部的纖維、紗線界面間發(fā)生多次耗能湍流從而減少了到達(dá)皮膚的熱量[9]。

由圖1可以看出：面料接觸火焰時間越長損傷越嚴(yán)重，燃燒后第3組試樣出現(xiàn)了熱收縮現(xiàn)象。

1.2 TPE試驗

TPE試驗是在TPP試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行。TPP試驗中得到了試樣的最大暴露時間tmax，即表2中的TPP時間平均值，通過tmax除以2確定TPE測試的暴露時間ttrial，本文試驗分別設(shè)置為2、4和9 s(精確至秒)。待暴露結(jié)束后持續(xù)采集數(shù)據(jù)至30 s 以上。此時曲線可能出現(xiàn)3種情況：①傳感器響應(yīng)曲線和Stoll曲線未相交，說明需要增加ttrial的數(shù)值繼續(xù)測試，那么下次試驗測試暴露時間為ttrial1=(tmax/2+ttrial)÷2，即為3、6、13 s，重新輸入暴露時間后繼續(xù)進(jìn)行測試。②傳感器響應(yīng)曲線和Stoll曲線剛好相交并相切，那么此時的ttrial就是TPE時間。③傳感器響應(yīng)曲線和Stoll曲線相交并有2個交點，說明需要減少ttrial的數(shù)值繼續(xù)測試，那么下次試驗測試暴露時間ttrial1=ttrial/4，即為2、3、7 s，重新輸入暴露時間后繼續(xù)進(jìn)行測試。按照上述方法，直到2次暴露時間差接近0.5 s時，停止試驗。最后再用2塊試樣對評估時間進(jìn)行驗證。取平均值最為最終結(jié)果。

按照上述方法進(jìn)行測試，TPE測試結(jié)果如表3所示。測試后試樣如圖2所示。

表3 TPE測試結(jié)果

圖2 TPE測試后試樣

從表3可以看出，面料的層數(shù)越多熱防護(hù)性能評估時間和評估值越高，試驗過程中沒有發(fā)生燃燒反應(yīng)。通過表2和表3的比較可以看出，同一組試樣的TPE值比TPP值分別降低了7.7%、13.3%和27.9%，說明織物在熱暴露階段除了發(fā)生熱傳遞外還會蓄積大量的熱量，而且隨著面料層數(shù)的增加面料整體的蓄熱能力也有所增加。這是因為面料的層數(shù)越多，達(dá)到二度燒傷所需的熱暴露時間也越長，從而面料蓄積的熱量也越高。目前阻燃防護(hù)服一般由外層、防水透氣層、隔熱層和內(nèi)層舒適層4層結(jié)構(gòu)組成，因此在阻燃防護(hù)服接觸火源之后其散發(fā)出的熱量對人體造成傷害的不容小覷[10]。

從圖2可以看出，面料經(jīng)TPE試驗后損傷程度比TPP試驗后有所減輕，因為面料直接接觸火焰的時間有所減少。

1.3 測試過程中的其他問題

根據(jù)日常測試試驗及實驗室之間的比對試驗發(fā)現(xiàn)，熱防護(hù)性能測試中還存在以下問題：

①傳感器熱量損失。傳感器是基于溫度設(shè)計的熱性能，影響因素包括銅片的質(zhì)量、吸收率、面積等。目前實驗室普遍采用的熱容性傳感器，在測試過程中熱量有所損耗。它的散熱主要有銅片本身反射的輻射熱，采用間接接觸法測試時隔熱板表面的輻射熱吸收，以及銅片與隔熱板之間熱量的損失。

②輻射熱的光譜影響。使用石英管燈和梅克爾燃燒燈的光譜與實際火災(zāi)光譜不同，影響測試真實模擬的精確性。

③數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差。熱電偶從輸出電壓信號轉(zhuǎn)換成溫度，二者間沒有線性關(guān)系，存在一定誤差。

④ Stoll曲線問題。Stoll曲線適用于均勻(矩陣)分布的熱源，任何小的波動變化都會使Stoll曲線失效。試驗過程中，恒定的熱流量經(jīng)過一層或多層織物后會衰減，衰減后入射到人體皮膚的熱流量值波動較大，不符合應(yīng)用Stoll曲線的邊界條件。

2 結(jié) 論

①國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未涉及服裝蓄熱性能，TPE的測試方法彌補(bǔ)了TPP測試的不足，它使所測得二度燒傷時間明顯縮短，這種結(jié)果對于阻燃防護(hù)服實際性能評估有積極的作用，可以更真實地反映所測服裝性能指數(shù)，避免因評估偏差導(dǎo)致消防隊員在火場環(huán)境中受到傷害。因此，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮將TPE測試方法編入其中。在選購阻燃防護(hù)服面料時不僅要考慮織物的阻燃性能、熱傳遞性能，還應(yīng)考慮后期的蓄熱性能。

②國內(nèi)外測試方法中均存在傳感器熱量損失、輻射熱的光譜影響、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差、Stoll曲線失效等問題，影響結(jié)果的真實性。相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)在制訂、修訂的過程中應(yīng)充分考慮實際應(yīng)用中存在的問題。